Timing et synchronisation : pourquoi ils sont essentiels pour les réseaux 5G
La synchronisation des réseaux et son importance pour les réseaux 5G ont fait couler beaucoup d'encre. En fait, le concept de synchronisation n'est pas nouveau dans le monde du sans-fil. Les générations précédentes de réseaux (2G, 3G et 4G) nécessitaient toutes un certain degré de synchronisation pour que le transfert entre les macro-stations de base et les équipements des utilisateurs s'effectue correctement. Toutefois, contrairement à ses prédécesseurs, la 5G impose des exigences de performance plus strictes aux réseaux sans fil et une synchronisation à la nanoseconde entre les différents éléments du réseau d'accès radio (RAN).
Pourquoi le timing et la synchronisation sont-ils essentiels dans le monde de la 5G ?
Alors que de plus en plus de radios et de petites cellules sont déployées pour atteindre le bon niveau de couverture et de performance, il est vital qu'elles soient synchronisées entre elles et qu'elles partagent la même référence temporelle avec toutes les tours de macrocellules environnantes, l'équipement de l'utilisateur et les éléments RAN. En outre, la précision de la synchronisation est nécessaire pour prendre en charge des technologies telles que le duplex à répartition dans le temps (TDD), où la liaison montante et la liaison descendante sont sur la même fréquence, et la formation de faisceaux qui permet de diriger les faisceaux vers plusieurs utilisateurs et dispositifs IoT tels que les capteurs, les machines, les robots et les voitures connectées. La 5G s'accompagne d'autres technologies avancées, comme le partage dynamique du spectre (DSS), l'agrégation de porteuses et le MIMO massif, qui requièrent toutes une bonne synchronisation pour fonctionner correctement.
Ces technologies entraînent des complexités dans la synchronisation du réseau qui n'existaient pas dans les réseaux de génération précédente. Par exemple, la technologie TDD utilise une bande de fréquences dédiée pour la liaison descendante et la liaison montante. Comme chaque direction doit transmettre pendant des créneaux horaires spécifiques, la synchronisation en fréquence et en phase entre l'équipement de l'utilisateur et la radio est essentielle pour garantir que la liaison descendante et la liaison montante n'interfèrent pas l'une avec l'autre. Le déploiement d'un grand nombre de petites cellules peut également poser de gros problèmes de synchronisation. Si elles ne sont pas sur la même référence temporelle, elles peuvent interférer les unes avec les autres et avoir un impact sur les performances RF. Un problème de synchronisation sur un routeur de site cellulaire risque d'affecter de nombreuses radios. À leur tour, les problèmes de synchronisation peuvent entraîner l'échec du transfert, la corruption des données transmises, un débit médiocre et une qualité vocale réduite, ce qui a un impact sur les performances des réseaux 5G. Pour en savoir plus, regardez notre webinaire : Pourquoi le timing et la synchronisation sont essentiels dans les réseaux 5G.
Figure 1. Les technologies avancées complexifient la synchronisation des réseaux 5G.
Quand devons-nous valider la précision de la synchronisation ?
Examinons quelques scénarios :
Pendant les phases de déploiement et de mise en service de la radio 5G et des petites cellules, les opérateurs doivent s'assurer, dès le premier jour, que la synchronisation est précise et fiable, afin que les réseaux soient prêts pour l'expansion future. Tout au long des phases de maintenance et de dépannage, les opérateurs doivent éliminer autant de variables que possible et identifier rapidement la cause première des problèmes. Si un problème de synchronisation est suspecté ou si un problème de performance RF est étudié, la première étape consiste à s'assurer que la synchronisation est précise avant de continuer à tester d'autres éléments du réseau.
Quelles sont les exigences en matière de synchronisation du réseau et que faut-il vérifier ?
Il existe plusieurs façons de s'assurer que chaque élément du réseau est synchronisé en fréquence et en phase. La première option consiste à installer un récepteur GNSS sur chaque site cellulaire, ce qui était jusqu'à récemment la méthode préférée dans certaines régions comme les États-Unis. La deuxième option, qui gagne en popularité depuis l'introduction de la 5G, est le protocole 1588 PTP (Precision Time Protocol). Dans son explication la plus simple, le 1588 PTP utilise la commutation/le routage IP/Ethernet pour distribuer des informations temporelles très précises à chaque élément du réseau qui nécessite une synchronisation.
L'erreur de temps (TE) est l'une des principales mesures utilisées pour évaluer l'imprécision de l'horloge. Il s'agit de la différence de temps entre l'heure de l'horloge testée T(t) et l'heure donnée par une horloge de référence de haute qualité Tref(t). Si l'horloge testée est en avance sur l'horloge de référence, un TE positif sera mesuré. Si l'horloge testée est en retard sur l'horloge de référence, le TE sera négatif. L'objectif de la précision temporelle est d'obtenir une mesure TE aussi proche de 0 que possible.
Figure 2. Variation du TE dans le temps.
Le protocole 1588 PTP a été spécialement conçu pour offrir le plus haut niveau de précision temporelle. Le protocole 1588 PTP fonctionne grâce à un grand maître qui échange des paquets de synchronisation avec le client PTP. Ces paquets de synchronisation comprennent des horodatages qui sont utilisés pour calculer et corriger l'heure entre le maître et le client. Tout d'abord, le maître envoie un message de synchronisation au client avec un horodatage (t1). Le client reçoit alors ce message et génère un second horodatage (t2). Ensuite, le client envoie un message de demande de délai et crée un autre horodatage (t3). Le maître répondra par une réponse de retard et enverra un dernier horodatage (t4). À la fin de ces échanges, le client dispose de tous les horodatages et peut calculer le retard et ajuster l'erreur de temps par rapport au maître. Ce mécanisme de correction fonctionne en permanence et corrige l'heure du côté du client plusieurs fois par seconde.
Une autre approche utilisée pour la synchronisation des réseaux est l'Ethernet synchrone (SyncE), une norme de l'UIT-T qui facilite le transfert d'informations de fréquence d'un nœud à l'autre sur la couche physique de l'Ethernet et qui permet de remonter jusqu'à une horloge de référence - de la même manière que la synchronisation est transmise dans le SONET. Avec le déploiement des réseaux 5G, SyncE prendra en charge les nombreuses applications qui nécessitent une synchronisation précise des fréquences et peut être utilisé en combinaison avec le PTP 1588.
La validation du timing et de la synchronisation d'un réseau peut s'avérer difficile car il y a de multiples variables à prendre en compte lorsqu'on essaie d'identifier la cause première potentielle des problèmes de timing. De plus, un problème de synchronisation sur un routeur de site cellulaire peut affecter de nombreuses radios, ce qui rend la résolution du problème encore plus complexe.
Quelques facteurs peuvent augmenter l'erreur de temps dans un réseau ou entraîner un mauvais fonctionnement du protocole 1588, tels que les pannes d'équipement, les problèmes de configuration, les réacheminements de chemin par un routeur, les pannes et les commutations de protection.
Figure 3. Exemples de variables pouvant entraîner des problèmes de synchronisation.
Comment tester la synchronisation dans les réseaux 5G ?
Lors du déploiement ou du dépannage de nouveaux sites cellulaires et radios 5G, il existe des outils de test qui permettent d'évaluer rapidement et facilement si les services SyncE et 1588 PTP sont actifs, de valider le niveau de qualité de l'horloge et la fréquence SyncE sur l'ensemble du réseau et de confirmer la précision de la synchronisation en mesurant l'erreur temporelle entre la station de base et l'horloge grand maître.
Traditionnellement, les solutions de test pour l'erreur de temps reposent sur des oscillateurs au rubidium coûteux et sensibles qui doivent être "réchauffés" et "disciplinés" pendant plus de 3 heures pour obtenir le niveau de précision le plus élevé. Par conséquent, les techniciens de cellule passent près d'une demi-journée à valider la précision du chronométrage sur un seul site, ce qui rend le processus inefficace.
EXFO a introduit une approche différente qui accélère l'ensemble du processus de test. En intégrant un récepteur GNSS de prochaine génération, multi-constellations et de haute précision, spécialement conçu pour la 5G, la solution d'EXFO peut atteindre une précision de l'ordre de la nanoseconde en moins de 20 minutes. C'est 90 % plus rapide que toute autre solution de test de synchronisation de l'industrie. De plus, la solution comprend un oscillateur à cristal (Xtal) contrôlé par four (OCXO) de strate 3E afin de fournir une capacité de mesure de maintien pour les scénarios où la visibilité du ciel pour le récepteur GNSS n'est pas possible. L'obtention d'un tel niveau de précision dans un temps de préparation aussi court change vraiment la donne pour la mesure de l'erreur temporelle sur le terrain.
Une autre caractéristique clé est la capacité de mesurer l'erreur de temps directement par l'intermédiaire de l'interface de fibre optique. La solution de test d'EXFO agit comme un client PTP et échange des messages PTP et des horodatages avec l'horloge frontière. L'un des principaux avantages de cette solution est qu'il est possible d'utiliser n'importe quelle longueur de câble de test à fibres optiques entre l'appareil testé et l'instrument de test. Cela permet à l'utilisateur d'éloigner l'instrument de test du routeur du site cellulaire, d'utiliser une fibre plus longue et d'assurer le meilleur emplacement pour la visibilité du ciel. Dans le cas où le routeur du site cellulaire est centralisé dans un hub C-RAN, il est même possible de mesurer l'erreur temporelle sur le site radio directement sur l'interface fibre reliant cette radio. C'est le moyen le plus simple et le plus efficace de valider que la synchronisation est correcte et qu'elle répond aux exigences rigoureuses de la 5G en matière de synchronisation, dès le premier jour.
Conclusion
Comme nous l'avons mentionné précédemment, la 5G nécessitera une synchronisation plus étroite en fréquence et en phase afin de répondre aux exigences plus strictes en matière de précision de la synchronisation et aux technologies avancées. Cela dit, nous en sommes actuellement aux premiers stades des déploiements de la 5G avec des architectures principalement non autonomes qui reposent en partie sur l'infrastructure 4G LTE existante. Mais à mesure que la 5G passe à l'autonomie et, surtout, qu'elle doit s'étendre en volume avec le déploiement d'un plus grand nombre de radios et de petites cellules desservant beaucoup plus d'utilisateurs connectés, l'impact des problèmes de synchronisation sera bien plus important que ce que nous avons vu dans les réseaux de la génération précédente. L'impact des problèmes de synchronisation sera bien plus important que dans les réseaux de la génération précédente. Il sera donc impératif d'assurer une synchronisation précise pour que la 5G fonctionne correctement.
La synchronisation des réseaux est un sujet approfondi et nous n'avons abordé ici que quelques concepts clés. Pour en savoir plus sur la toute dernière solution de test de synchronisation d'EXFO, cliquez sur le bouton " En savoir plus ".
